关于一种预防足内翻的鞋子的探究

冯 雷，宋雅伟，苏 阳



关于一种预防足内翻的鞋子的探究

冯 雷1，宋雅伟1，苏 阳2

1.南京体育学院健康系，江苏南京，210014；2.南京体育学院科研处，江苏南京，210014。

目的：本文在探究纵跳落地过程中，足内翻损伤力学机制，并提出一种预防足内翻的鞋子初步构想。方法：通过文献资料法，结合万方和中国知网等数据库以踝关节、足内翻、损伤、关节运动轴等进行全文和主题检索，收集国内与足、踝关节以及距下关节相关参考文献50篇以及国外与踝关节和距下关节内翻的相关文献30篇。结果：（1）足内翻是足部各个关节综合运动的结果；（2）足内翻过程中经常发生损伤的韧带有距腓前韧带和距跟骨间韧带等；（3）足内翻过程中，随着内翻角度的增加踝关节关节力增加，其中踝关节内侧和胫骨远端髁间线前部的应力逐渐增加，踝关节的外侧受到韧带和肌肉的牵拉剪切应力增加；（4）随着足内翻角度的增加，距下关节接触面积增加。结论：理论上在纵跳落地过程中，通过单一的限制足内翻在一定的范围可以预防足内翻损伤，同时对足踝关节不会造成大的伤害，但有待于进一步验证。

预防；足内翻；鞋子

在日常体育活动中足踝关节损伤经常发生，约占体育损伤的40%[1-5]；足踝关节的韧带损伤通常为韧带的损伤，踝关节的韧带损伤占整个踝关节损伤的75%，其中内侧韧带损伤占踝关节韧带损伤的97%[6-9]。足踝关节损伤通常在足球、篮球以及排球等体育项目和跳伞等军事项目中发生率较高。调查显示每天约10 000人发生踝关节的损伤[10]，且医院急诊的7—10%均为足踝关节损伤，通常随着运动年龄的增加，损伤的概率也会增加，在不同的运动项目中，足踝损伤的发生率也不相同，根据对15岁以下、15到19岁及19到35岁之间的调查，发现足踝损伤普遍发生在15到19岁的青少年阶段[11,12]。足踝关节的损伤与频繁的起跳和落地具有较大的相关性；在本文将起跳后腾空的过程足的状态认为为非负重状态；起跳、落地以及站立位的支撑阶段足部的状态为负重状态。通过限制足踝关节的内翻在特定的角度，保护足踝关节在负重状态下不受损伤。但限制足踝关节的内翻，是否会对足踝关节和膝关节产生额外的负荷？额外的负荷是否会产生损伤？损伤的危害有多大？

1 资料方法

1.1 资料的来源

检索人相关内容：本文第一作者冯雷。

检索时间范围：1995年1月至2015年9月。

检索词：英文检索词：“ankle，biomechanics，foot，varus,subtalar,injury”中文检索词“踝关节，生物力学，损伤，内翻，足，距下关节/距跟关节”。

检索数据库：中国知网数据库，网址：http://www.cnki.net。万方数据库，网址：http://wanfangdata.com.cn

1.2 入选标准

纳入标准：（1）有关足踝关节关节受力/内翻/损伤的文章；（2）具有原创性，论点/论据可靠的文章；（3）对同一领域的文献选择权威期刊的文献，对相互矛盾的论点选择与主流论点相近的文献。

排除标准：较陈旧的观点和理论，以及一些重复性的研究。

质量评估：计算机初次检测得到280篇文献，包括中文160篇，英文120篇，阅读标题和摘要筛选，选择与足踝关节关节受力/内翻/损伤的文献120篇；再一次排除相似的，陈旧的文献，保留其中的80篇归纳总结。

2 足踝的解剖结构

2.1 足踝关节周围的韧带

足踝部的韧带是影响足踝关节稳定的关键因素，正常的足部落地时会发生外翻，被动的外翻可能是足踝关节的内侧韧带强于外侧韧带的关键因素；踝关节外侧韧带对于踝关节的稳定具有重要的作用，但他们所占的比例不同，距腓后韧带：距腓前韧带：跟腓韧带=6:1:3[13]。杨崇林，徐向阳[14]等认为跖屈时踝关节中距骨头与外踝距离相对增加，距腓前韧带收缩，跟骨结节与外踝距离相对减小，跟腓韧带松弛，此时踝关节内翻距腓前韧带最易受损伤，其次为距跟骨间韧带、外侧关节囊，最后才是跟腓韧带，且在外力的作用下跟骨发生相对位移大时，可能导致距跟骨间韧带和跟腓韧带损伤。毛宾尧，刘明廷等[15]采用观察法，对7具尸体足部以及40副距跟骨的距跟关节进行测量和观测，发现距跟关节在结构上具有稳定特性：（1）距跟关节的鞍状镶嵌作用，跟骨体体积大于距骨，距骨关节面稍大于跟骨关节面，同时距骨镶嵌于跟骨倾斜的鞍状面内；（2）短粗有效的距跟骨间韧带，韧带内部纤维呈螺旋形，与距跟关节的力学作用相一致；（3）有限的关节活动度，内翻10°—15°，外翻5°—8°，内外向滑动和内外旋转各为3°—5°，前、后位滑动2—3mm，无绕足横轴活动，有限的关节活动度使关节具有更好的稳定性。戴海飞，余斌等[16]通过有限元发现：当足处于外旋状态下胫距后韧带的存、缺对于踝关节的稳定性有较大的影响；当足处于内旋状态下跟腓韧带对于踝关节的稳定性有较大的影响。

总结：足踝关节内翻时，距腓前韧带是最容易受伤的部位；距下关节属于面面关节，宽大的关节面以及强大的距跟骨间韧带是距下关节具有良好的稳定性的重要因素。

表1 距跟骨长宽度与其关节面长宽度的比较（n=40，±s）

（上述表格取自于毛宾尧的距跟关节的内稳定结构和不稳矫正）

2.2 足踝关节周围的肌肉

通过查阅功能解剖学以及运动解剖学了解到：足踝关节内翻的肌肉有胫骨前肌、胫骨后肌、长伸肌、长屈肌以及趾长屈肌，可以使踝关节外翻的肌肉有趾长伸肌以及腓骨长短肌。相比较下有更多的肌肉作用于足的内翻；当足部处于非负重的状况下，肌肉的弹性是足内翻的重要原因之一。足踝关节的内翻损伤常发生在背伸位转向背屈位；纵跳落地的过程中足踝关节周围的肌群收缩，不正常的落地过程产生的肌肉力也可能会是足内翻的原因之一[17-20]。

总之，足踝关节容易内翻的特点不仅与距下关节倾斜的关节面有较大的关系，而且肌肉的作用是足踝关节内翻另一个主要的原因。

3 足踝关节内翻的生物力学研究

3.1 足踝关节内翻的运动学研究

3.1.1 足内翻的运动学解释 足踝关节损伤在足球、篮球以及跳伞等项目中有较高的发生率。这几个项目具有一个共同的特征：频繁的跳起—落地[21]。在纵跳落地阶段足踝关节内翻损伤的运动学过程是：当足部离开地面后，足处于非负重状态，此时足处于趾屈和内翻的状态；足踝关节在正常的落地过程中，由于地面不平整，足落在别的运动员的脚上或则地面有石粒等，足的正常外翻功能被抑制，足踝关节由外翻转变为内翻，最终可能导致足踝关节的内翻损伤。

3.1.2 足内翻时踝关节和距下关节的运动学变化 踝关节的内翻损伤分为两个过程：危险的形成期和扭伤阶段。当内翻角速度达到632°/s或内翻初速度达300°/s时，踝关节外侧韧带将会发生损伤[22]。郭国新[23]等通过有限元分析软件对一名女性的踝关节进行建模，分析踝关节在不同内翻位状态下的关节位移和关节力值。研究发现踝关节内翻（10°—85°），各骨发生位移最大的部位在腓骨中下段和外踝，其次是胫骨中下段，也就是说伴随内翻角度的增加，踝关节处的接触力发生内移。此时距骨发生内移，增加了踝关节处关节的接触面积（距骨外移1 mm，胫距关节的有效负重面积将减少20%—40%，如外移5 mm，则可减少80%）。另外膝关节也会发生屈曲和内翻适应这种变形。哈山、许鉴[24]等通过CT扫描并使用三维重建软件Mimics 14.11对足部进行三维重建，获得距下关节在不同状态下的静态数据，发现距下关节绕矢状轴的内翻和外翻以及绕垂直轴的内旋和外旋运动范围大于背屈和背伸。当足部处于背屈和背伸位时，距下关节的位移明显大于其他运动状态。周军杰[25,26]等通过对12例正常人新鲜足中距下关节的运动学研究发现：距下关节背屈和背伸的运动范围：4.13°+0.86°；距下关节内翻和外翻的运动范围：8.43°+0.52°；距下关节内收和外展的运动范围：12.77°+1.29°。在篮球的训练和比赛的过程中，运动员足跟离地，保持前脚掌支撑身体的重量以及运动的支撑反作用力。这一动作保持了踝关节良好的活动性，有助于足踝关节运动特点的发挥，同时足跟的抬起可以更好的发挥内侧足弓（弹性足弓）的功能，但足跟抬离地面踝关节处于屈曲位，足踝关节的稳定性降低，当足部位于该位置时，很容易发生足内翻的损伤。总之，纵跳落地时发生足内翻，踝关节发生的位移变化大于距下关节，因此踝关节处损伤的程度可能大于距下关节。

3.1.3 足踝关节的翻转与足部各关节的运动轴的相互制约 从整体上来看，足踝关节具有3个运动轴，可以在3个运动面内进行运动，分别是绕额状轴在矢状面进行的屈伸运动、绕矢状轴在额状面进行的内翻和外翻、绕垂直轴在水平面进行的外展和内收。但是足关节单纯的绕单轴的运动范围是很小的，足的关节由踝关节、距下关节、跗横关节、跗跖关节、跖趾关节、趾间关节等组成且每一个关节具有不同的关节运动轴；（1）踝关节（距小腿关节）由胫骨、腓骨以及距骨滑车构成，近似单轴的屈戍关节，可以做背屈（伸）和跖屈（屈）运动，但是其旋转轴是可变的。（2）距下关节的旋转运动轴向上倾斜大约呈42°，向内倾斜与足的垂直轴呈23°[27-29]。笔者认为距下关节的旋转轴倾斜的原因是由于距下关节的前、后端有各自的关节囊，并由跗骨窦和跗骨孔分开。关节的前端更靠近内侧，比起后端有更高的旋转中心。但是两部分综合形成一个旋转轴，距下关节的旋转轴具有较大的个体差异性。总之，足部是由多个关节组成，同时足部的运动受到多个关节的运动的相互制约。

3.2 足踝关节内翻的动力学

3.2.1 踝关节的应力分布 吴迪，伍骥等[30]对跳伞过程中踝关节外侧韧带的受力以及关节的运动进行分析：在尸体的情况下进行内翻试验，当平均负荷达到2208.18N，踝关节外侧韧带将会发生断裂，力从0到峰值所用平均时间9.76s。郭国新，郭继涛等[31]对静止直立位的踝关节施加载荷发现：最大应力集中的区域为内踝与距骨相关节处，胫骨远端关节面髁间线前部，距骨滑车外侧部；应力最小的区域为外踝，距骨头，距骨颈。高空坠落时踝关节的最大应力集中区域为距骨滑车前外侧，内踝内侧皮质区以及胫骨远端关节面髁间线前部。郭国新等通过有限元分析软件对一名女性的踝关节进行建模，分析踝关节在不同内翻位的关节位移和关节力值。研究发现踝关节内翻（10°—85°），最大剪切力发生在外踝尖及腓骨下段外侧皮质、距骨滑车髁间线外侧部及距骨与内踝相关节部位，并且x、y及z轴上的应力也是随着内翻角度的增加逐渐增加，x轴上的应力极值最大，以y轴上剪切应力值变化最大，xz平面（额状面）上的剪切应力极值最大。汤荣光等[32,33]采用内置式压力敏感片，对10具小腿和足的标本进行距下关节内压力测试。研究发现：当足处于中立位承重时，距下后关节面接触面积明显大于前中关节面的接触面积，且距下后关节承受的关节接触力占整个距下关节接触力的60.39%。也就是说，足部在中立位承重时，距下关节的后关节面承载主要的负荷。通过观测跟骨关节面上的压力作用线，发现关节面后侧的压力线较明显。另外，通过中立位的足底压力试验发现：足跟部承受整个足部负荷的64%。总之，距下关节的后关节面是主要的称重区域，该区域承受着较大的压应力。足内翻的过程中，内翻的角度越大，踝关节内的关节力矩增加，其中较大的一部分关节力矩来自于韧带/肌肉以及关节囊的张力。

3.2.2 高出坠落情况下跟骨骨折 黄诸侯，李俊，陈日齐[34,35]等对高出坠落情况下跟骨骨折的机制进行探讨和分析：有限元条件下足呈中立位落地，跟骨骨折将从距跟关节面的外侧向内后方发生骨折；足呈背屈位落地，从距跟关节面的外侧向内后方发生骨折，距跟后关节面也发生相应骨折，同时跟腱的附着处发生撕脱性骨折。在两种落地状态下，跟骨的骨折均从距跟关节的外侧向内侧延伸，从力学的角度可以看出，跟骨的外侧是应力的集中区域。这与距骨滑车的外侧部是应力集中区域有较大的联系。

3.2.3 足内翻时跖骨的受力变化 顾耀东、李建设等[36]通过建立足部三维有限元模型，探究足部在不同的内翻角度时，足部跖骨的压力。正常落地时第二跖骨处的应力为各跖骨应力最大；这也就更好的解释了第二跖骨为应力性骨折的高发部位。当足处于内翻状态时，外侧跖骨成为高应力集中的部位。通常第五跖骨在正常的运动状态下受力较小，但是当足踝关节内翻时第五跖骨底内侧可能成为压力的高发部位。

3.2.4 足内翻损伤后足底压力的变化 谷昱良[37]通过足底压力分析系统，对5名正常研究对象和5名踝内翻损伤研究对象研究发现：左右踝内翻损伤足底压力具有差异性，与正常无损伤的足底压力相比较，踝内翻损伤的足底压力具有不稳定、波动性较大等特点。踝内翻损伤者的足底压力中心集中，变化不明显。综上所述，足踝关节内翻产生的损伤导致足底压力的偏向某一特定的区域，容易造成局部压力集中的现象[38]。足踝关节内翻出现的损伤可能是多方面的，踝关节的距腓前韧带撕裂，距跟骨间韧带的撕裂，跗横关节处的损伤，外侧跖骨的骨折以及足底压力集中等。

4 纵跳落地阶段足踝关节翻转的受力分析

纵跳落地阶段足内翻的发生机制是由于足踝关节受到一个内翻力偶矩。当人纵跳落地或则跳伞从高空落下，在腾空阶段，足由于自身环节的重心偏向前侧，同时由于小腿肌肉的弹性以及韧带的抗张力特性，足踝关节发生趾屈和内翻。当足正常落地过程中，由于足的外侧先着地使得足的外侧受到一个向上的支持力，同时距骨收到胫骨施加的向下的压力，这两个力形成一个力偶距，使足踝关节发生外翻，结果使足关节正常落地。当足足内侧缘受到外力的作用，足踝关节的外翻被阻止，此时胫骨与距骨和跟骨与地面之间力的作用点发生变化，足底内侧缘受到阻力f，足底外侧缘受到支持力F，胫骨与距骨间的接触里看作重力，这3个力形成的外翻力矩大于等于内翻时，足踝关节的内翻损伤将不会发生，但是一般状况下，外翻的力矩小于内翻，足踝关节的内翻损伤将可能发生。

图1 足踝关节受力示意图

（G表示有胫骨向足踝关节传递的重力；N表示地面传递给足踝关节的地面反作用力，N是F与f的和；L表示两个力的力臂）

5 小 结

（1）足内翻是足部各个关节综合运动的结果，踝关节的内收、距下关节的向内的翻转以及跗横关节向内的翻转等；（2）足内翻过程中易损伤的韧带是距腓前韧带和距跟骨间韧带等；（3）足内翻过程中，随着内翻角度的增加踝关节关节力增加，其中踝关节内侧和胫骨远端髁间线前部的应力逐渐增加，踝关节的外侧受到韧带和肌肉的牵拉剪切应力增加；（4）随着足内翻角度的增加，距下关节接触面积增加；（5）跗横关节的旋转运动范围大于屈伸运动，说明在一定的内翻状态下可以承受较大的载荷。

6 一种预防足内翻鞋子的可行性分析

通过限制足内翻预防足内翻损伤的鞋子在理论上具有可行性。（1）找出限制足内翻的最佳角度；（2）当足发生内翻时，由于支持带的保护足踝部的软组织并不会损伤，在该条件下，人体的自我保护意识[39]，并不会给关节产生持续性的以及强大的应力，且支持带的最大优势可以将内翻的剪切应力转化为关节的压应力[40]；（3）如果继续深入的研究各个专项的足踝关节的运动学特征，那么可以更加科学合理的设计符合各专项的鞋子，既不会影响足踝关节的正常运动，保护足踝关节。

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Exploration of Mechanism on Strephenopodia and the Shoes Guarded against Strephenopodia

FENG Lei1, SONG Yawei1, SU Yang2

1.Dept of Health, Nanjing Sport Institute, Nanjing Jiangsu, 210014, China;2. Dept of Scientific research, Nanjing Sport Institute, Nanjing Jiangsu, 210014, China.

The purpose of this paper is to explore the mechanical mechanism of strephenopodia in the vertical jump landing process and to find shoes guarded against strephenopodia. Methods: The method of literature reviews is adopted in this paper. All of data is found by Wanfang and CNKI. The key words are including ankle, strephenopodia, injury, axis of joint motion and so on, searched in full text and for topic. In total,80 papers is good to finish this article.50 papers is Chinese, and other is English. The discovery: First, the strephenopodia is a comprehensiveness motion on all of foot joint. Second, the injury of ATFL and interosseous talocalcaneal ligament is common in strephenopodia. Third, the more degree of joint angle is increased, the more joint force gains in medial of ankle and in front of Line between distal tibia condyle, also shearing stress is increased in lateral ankle. Fourth, the more degree of joint angle is increased, the more is the contact area in subtler joint. The result: The shoes guarded against strephenopodia are doable, and decrease the harm. However, the harm is uncertain.

Guard against; Strephenopodia; Shoes

1007―6891（2017）03―0035―04

10.13932/j.cnki.sctykx.2017.03.10

G804.61

A

2016-11-01

2016-11-16

国家自然科学基金资助项目，项目编号：31270998；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目（省立校助），项目编号：KYLX15_1031。